传感器的基本概念概要

1、传感器的基本概念概要第一章 传感器的根本概念传感器的定义与组成传感器的分类传感器的技术特点传感器的数学模型概述传感器的根本特性传感器的引入人通过五官视、听、嗅、味、触承受外界的信息，经过大脑的思维信息处理，作出相应的动作。而用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动，那么可以说电子计算机相当于人的大脑一般俗称电脑，而传感器那么相当于人的五官局部“电五官 。传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段，即传感器是信息采集系统的首要部件。人与机器人的对应关系 第一节 传感器的定义与组成 1. 传感器transducer or sensor 的定义： 传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受或响应

2、与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的有用输出信号的元器件或装置。最常见的是把非电量转换成电量，但是这肯定不是唯一的形式。 2. 传感器的组成：1敏感元件：是指传感器中能直接感受或响应与检测出被测对象的待测信息非电量的局部。2转换元件：是指传感器中能将敏感元件所感受或响应出的信息直接转换成电信号的局部。3其他辅助部件：包括信号调节电路、辅助电路等 注：并不是所有的传感器都必须包括敏感元件和转换元件 为什么呢？传感器是一种以一定的准确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。其包含一下几个方面的意思：1传感器是测量装置，能完成检测任务；2它的输入量是某一被测量

3、，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；3输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电，但主要是电量；4输入输出有对应关系，且应有一定的准确度。1传感器的作用传感器实际上是一种功能块，其作用是将来自外界的各种信号转换成电信号。3. 传感器的作用和重要性为什么要转换成电信号？ 传感器所检测的信号进来显著地增加，因此其品种也极其繁多。为了对各种各样的信号进展检测、控制，就必须获得尽量简单易于处理的信号，这样的要求只有电信号可以满足。电信号能较容易地进展放大、反响、滤波、微分、存贮、远间隔 操作等。因此作为一种功能块的传感器可狭义的定义为：“将外界的输入信号变换

4、为电信号的一类元件。 传感器来自外界的信号电信号2传感器的重要性作为人脑的一种模拟的电子计算机的开展极为迅速，可是起五种感觉模拟作用的传感器却开展很慢，因此假设不进展传感器的开发，如今的电子计算机将不能适应实际需要。现代社会要求传感器、电子计算机和执行器三者都能互相协调才行。传感器就成了现代科学的中枢神经系统，它日益受到人们的普遍重视，这已成为现代传感器技术的必然趋势。4. 传感器的应用：传感器技术在工业自动化、军事国防和以宇宙开发、海洋开发为代表的尖端科学与工程等重要领域有广泛应用。同时，它正以自己的宏大潜力，向着与人们生活亲密相关的方面浸透；生物工程、医疗卫生、环境保护、平安防范、家用电器

5、、网络家居等方面的传感器已层出不穷，并在日新月异地开展。1. 按工作机理分类 将物理、化学和生物等学科的原理、规律、效应作为分类的根据。可分为构造型、物性型和复合型。 第二节 传感器的分类1构造型的性能与构成材料关系不大，其构造的几何尺寸厚度、角度、位置等在被测量作用下发生变化，能获得比例于被测非电量的电信号的敏感元件或装置。 例如，测量压力位移、流量、温度的力平衡式、振弦式、电容式、电感式等传感器。2物性型那么是利用物质的某种和某些客观属性构成的，其性能与构成材料有明显的关系。由构成材料的物理特性、化学特性或生物特性直接敏感于被测非电量，并可以将被测非电量转换成电信号的敏感元器件或装置。 特

6、点：响应快，材料本身就是敏感体，不存在显著的构造特征，也无所谓的“构造变化 ；易集成化、小型化、智能化。 例：半导体、金属、陶瓷、合金传感器 3复合型传感器是将中间转换环节与物性型敏感元件复合而组成传感器。 中间环节的作用是把被测量转换为物性型敏感元件可以感受的信号，再将其转换成电信号。 2. 按被测量分类： 物理量、化学量、生物量如：温度、位移、加速度、力、气体、湿度等3. 按敏感材料分类：制造传感器的材料如：半导体、陶瓷、光导纤维、高分子材料、金属传感器。4. 按能量的关系分类 有源传感器和无源传感器。 用处分类、科目分类、功能分类、输出信号的性质分类。第三节 传感器的技术特点 传感器技术

7、包括：传感器的研究、设计、试制、消费、检测与应用。 特点：内容范围广且离散知识密集程度甚高、边缘学科色彩极浓技术复杂、工艺要求高功能优、性能好品种繁多、应用广泛 传感器的一般要求足够的容量传感器的工作范围或量程足够大；具有一定的过载才能。灵敏度高，精度适当即要求其输出信号与被测信号成确定的关系通常为线性，且比值要大；传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足要求。响应速度快，工作稳定，可靠性高。使用性和适应性强体积小，重量轻，动作能量小，对被测对象的状态影响小；内部噪声小而又不易受外界干扰的影响；其输出力求采用通用或标准形式，以便与系统对接。使用经济本钱低，寿命长，且便于使用、维修和校准。传感器

8、开发的新趋势传感器开发的新趋向包括:社会对传感器需求的新动向传感器新技术的开展趋势传感器技术的开展趋势 传感器的开发方向，大致分为如下四个方面：向检测范围挑战。集成化，多功能化。向未开发的领域挑战生物传感器。智能传感器Smart sensor1向检测范围挑战： 传感器的量子化 传感器的极限检测范围大多取决于量子力学效应。其比较典型的例子是利用核磁变振吸收的磁传感器以及利用约瑟夫效应的磁传感器。2集成化，多功能化： 向敏感功能装置开展 传感器的集成化，最近积极地应用了半导体集成电路技术及其开发思想。3生物传感器： 到目前为止，正大力研究。开发的传感器大多为物理传感器，今后应积极开发研究化学传感器

9、和生物传感器。4智能传感器： 具有判断才能、学习才能的传感器 智能传感器大致分为如下三种：具有判断力的敏感装置具有学习才能的敏感装置具有创造才能的敏感装置 从构成上看，智能式传感器是一个典型的以微处理器为核心的计算机检测系统。智能式传感器特点： 同一般传感器相比，智能式传感器有以下几个显著特点：精度高稳定、可靠性好检测与处理方便功能广性能价格比高 精度高：由于智能式传感器具有信息处理的功能，因此通过软件不仅可以修正各种确定性系统误差(如传感器输入输出的非线性误差、温度误差、零点误差、正反行程误差等)，而且还可以适当地补偿随机误差，降低噪声，从而使传感器的精度大大进步。稳定、可靠性好： 它具有自

10、诊断、自校准和数据存储功能，对于智能构造系统还有自适应功能。检测与处理方便： 它不仅具有一定的可编程自动化才能，可根据检测对象或条件的改变，方便地改变量程及输出数据的形式等，而且输出数据可通过串行或并行通讯线直接送入远地计算机进展处理。功能广： 不仅可以实现多传感器多参数综合测量，扩大测量与使用范围，而且可以有多种形式输出(如RS232串行输出，PIO并行输出，IEEE-488总线输出以及经D/A转换后的模拟量输出等)。性能价格比高： 在一样精度条件下，多功能智能式传感器与单一功能的普通传感器相比，其性能价格比高，尤其是在采用比较廉价的单片机后更为明显。从系统的角度看，一种传感器就是一种系统。

11、 一个系统总可以用一个数学方程或函数来描绘。通常从传感器的静态输入-输出关系和动态输入-输出关系两方面建立数学模型。静态数学模型和动态数学模型。 第四节 传感器的数学模型概述1. 静态模型静态模型是指在静态信号输入信号不随时间变化的量情况下，描绘传感器输出与输入量间的一种函数关系。一般可用多项式来表零位输出 非线性项的待定系数传感器线性灵敏度，常用K或S表示三种有用的特殊形式：严格的线性关系非线性关系2. 动态模型 动态模型是指在准动态信号或动态信号输入信号随时间而变化的量作用下，描绘其输出输入信号的一种数学关系。 动态模型常用微分方程和传递函数等来描绘。1微分方程 多数传感器都属于模拟连续变

12、化系统，且通常看作是线性时不变系统。、传感器的构造参数通常2传递函数当时，那么有的拉氏变换：对微分方程取拉氏变换，有：得传递函数为：传递函数框图为H(s)X(s)Y(s)传递函数的串联形式H1(s)X(s)H2(s)Hr(s)Y(s)传递函数的并联形式H1(s)X(s)H2(s)Hr(s)Y(s) 第五节 传感器的根本特性 传感器所测量非电量的一般形式： 静态信号 一种稳定信号，不随时间变化或变化及其缓慢。动态信号 随时间变化而变化的信号。静态特性动态特性1.1 线性度：是指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度，又称非线性误差。 1. 静态特性输出量和输入量实际曲线与拟合直线之

13、间的最大偏向； 也就是说，在规定条件下，线形度即为传感器输入量和输出量实际曲线与拟合直线间最大偏向与满量程输出值的百分比。输出满量程值。传感器静态模型的线性度曲线：图b为理想的线性特性，但绝大多数传感器不具备此特性；图d显示为奇次方多项式模型，该类传感器在相当大的输入范围内有较宽的准线性。xy0(a)xy0(b)xy0(c)xy0(d)传感器的线性度表示1.2 灵敏度定义：在稳态下，传感器输出量的变化值与引起此变化的输入量之间的比值。线性传感器，灵敏度为其静态特性的斜率线性非线性灵敏度是一变量 一般希望传感器的灵敏度在满量程范围内保持恒定。 灵敏度的量纲输出输入量的量纲之比1.3 重复性 重复

14、性表示的是传感器在输入量按同一方向作全量程屡次测试时，所得其输出特性曲线不一致性的程度。不重复性 产生的原因： 传感器机械局部的磨损、间隙、松动、部件的内摩擦、积尘、辅助电路的老化和漂移等。 当误差服从高斯分布时，标准偏向可以用贝赛尔公式计算。 在数值上用各测量值正、反量程标准偏向最大值的两倍或三倍与满量程的百分比表示。 不重复性的极限误差式： 不重复性误差属于随机误差1.4 迟滞现象 迟滞是指在一样工作条件下作全测量范围校准时，在同一次校准中对应同一输入量的正行程和反行程其输出值间的最大偏向。即，迟滞现象能说明传感器在正向输入量增大行程和反向输入量减小行程期间，输出-输入特性曲线不重合的程度

15、。滞环误差： 最大滞环率：在整个测量范围内产生的最大滞环误差与满量程输出值的比值。 传感器的分辨率是在规定的测量范围内所能检测输入量的最小变化量 。有时用该值和满量程输入值的百分数 表示。 1.5 分辨率 1.6 稳定性 短期稳定性、长期稳定性 对于传感器常用长期稳定性来描绘其稳定性。其指在室温条件下，经过相当长的时间间隔，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。1.7 漂移 传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的变化。 零点漂移和灵敏度漂移。其又可分为时间漂移和温度漂移。 时间漂移指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化。 温度漂移为环境温度变化而引起的零

16、点或灵敏度的漂移。2 传感器的动态特性2.1 传感器的动态特性和误差概念动态特性：是传感器对随时间变化的输入量的输出响应特性。 动态特性好的传感器，随时间变化的输出曲线能同时再现输入随时间变化的曲线，即输出-输入具有一样类型的时间函数。 动态误差：在动态的输入信号情况下，输出信号一般来说不会与输入信号具有完全一样的时间函数，这种输出与输入间的差异。具有较好动态特性的要求： 1要求传感器能准确地测量信号的幅值大小； 2要求传感器能测量出信号变化过程的波形，及要求传感器能迅速准确地响应信号的幅值变化和无失真地再现被测信号随时间变化的波形。研究传感器动态特性的目的： 从测量角度分析产生动态误差的原因

17、以及提出改善措施。研究传感器动态特性的方法： 时域：瞬态响应法 频域：频率响应法 2.2 阶跃响应给静止的传感器输入一个单位阶跃函数信号其输出特性称为阶跃响应特性。1最大偏离量 ：最大偏离量就是响应曲线偏离阶跃曲线的最大值，常用百分数表示。2延滞时间 ：阶跃响应到达稳态值的50所需的时间。衡量阶跃特性的几项指标：3上升时间 ：有的种定义： 响应曲线到达稳态值的10%90%所需的时间； 响应曲线到达稳态值的5%95%所需的时间； 响应曲线从零上升到第一次到达稳态值所需要的时间。4峰值时间 ：响应曲线到达第一个峰值所需要的时间。5响应时间 ：响应曲线衰减到与稳态值之差不超过 5%或2%时所需要的时间，有时称为过渡过程时间。阶跃响应特性ty(t)最大偏离量延滞时间上升时间峰值时间响应时间2.3 频率响应特性频率响应函数是传递函数的特例，有令那么有得频率响应函数频率响应函数的复指数形式